RU2035789C1

RU2035789C1 - Process of generation of beam of accelerated particles in technological vacuum chamber

Info

Publication number: RU2035789C1
Authority: RU
Inventors: А.С. Метель
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Новатех"
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: acceleration equipment. SUBSTANCE: process provides for ionization of gas in gas-discharge chamber of ion source and supply of accelerating voltage positive relative to potential of technological chamber and emission grid to one of electrodes of chamber. Ion-forming gas is supplied into gas-discharge chamber through emission grid by means of ejector or directly from technological vacuum chamber or from re-charge chamber located between source of ions and technological vacuum chamber. This prevents formation of zone with pressure increased relative to working pressure of gas but sufficient for electric puncture. EFFECT: enhanced productivity and reliability of plant generating beams of accelerated particles. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике получения пучков ускоренных частиц, в том числе к технологии обработки изделий пучком большого сечения ускоренных частиц в вакууме с целью очистки и нагрева изделий для повышения адгезии наносимых покрытий, с целью упрочнения и модификации поверхности имплантацией ускоренных частиц, а также для полировки поверхности и распыления материалов. The invention relates to techniques for producing beams of accelerated particles, including the technology of processing products with a beam of large cross sections of accelerated particles in vacuum to clean and heat products to improve the adhesion of the applied coatings, to strengthen and modify the surface by implantation of accelerated particles, as well as for polishing the surface and spraying materials.

Известен способ получения пучка ускоренных ионов [1] включающий подачу ионообразующего газа через отверстия в аноде и полом катоде, ионизацию газа внутри полого катода и подачу на анод положительного по отношению к эмиссионной сетке ускоряющего напряжения. Недостатком способа является низкая надежность, связанная с пробоями в диэлектрическом изоляционном газопроводе, соединяющем анод с заземленным устройством регулировки газоподачи. A known method of producing a beam of accelerated ions [1] comprising supplying an ion-forming gas through holes in the anode and hollow cathode, ionizing the gas inside the hollow cathode, and applying an accelerating voltage positive with respect to the emission grid to the anode. The disadvantage of this method is the low reliability associated with breakdowns in a dielectric insulating gas pipeline connecting the anode to a grounded gas supply adjustment device.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ получения пучка ионов [2] включающий подачу ионообразующего газа в газоразрядную камеру, образованную анодом и выполненном в виде набора отдельных катодных элементов полым катодом, ионизацию газа в газоразрядной камере и подачу на полый катод положительного по отношению к технологической камере и эмиссионной сетке ускоряющего напряжения. Газ в газоразрядную камеру подают через штуцер на задней стенке заземленного корпуса источника ионов, и через зазоры между катодными элементами равномерно заполняют газом протяженный полый катод. Пробои в газопроводе отсутствуют, так как оба его конца заземлены. The closest in technical essence to the invention is a method for producing an ion beam [2] comprising supplying an ion-forming gas to a gas discharge chamber formed by the anode and made as a set of individual cathode elements with a hollow cathode, ionizing the gas in the gas discharge chamber and supplying a positive relative to the hollow cathode process chamber and accelerating voltage emission grid. Gas is supplied to the gas discharge chamber through a fitting on the rear wall of the grounded housing of the ion source, and through the gaps between the cathode elements the extended hollow cathode is uniformly filled with gas. There are no breakdowns in the gas pipeline, since both its ends are grounded.

Однако при повышении положительного потенциала электродов внутри корпуса свыше нескольких сотен вольт в штуцере газоподачи, где давление на несколько порядков превышает рабочее давление ( ≈ 0,1 Па) внутри газоразрядной камеры, возможно загорание тлеющего разряда с полым катодом, функции которого выполняет штуцер газоподачи, переходящего с ростом тока в дугу с катодными пятнами на корпусе. Пробои между корпусом и электродами газоразрядной камеры внутри него при подаче газа в корпус снижают надежность способа. However, if the positive potential of the electrodes inside the casing rises above several hundred volts in the gas supply choke, where the pressure is several orders of magnitude higher than the working pressure (≈ 0.1 Pa) inside the gas discharge chamber, a glow discharge with a hollow cathode, which serves as the gas supply choke with increasing current in an arc with cathode spots on the housing. Breakdowns between the casing and the electrodes of the gas discharge chamber inside it when gas is supplied to the casing reduces the reliability of the method.

Целью изобретения является повышение надежности. The aim of the invention is to increase reliability.

Цель достигается тем, что по способу получения пучка ускоренных частиц в технологической вакуумной камере, включающему подачу ионообразующего газа в газоразрядную камеру источника ионов, ионизацию газа в газоразрядной камере и подачу на один из электродов газоразрядной камеры положительного по отношению к технологической вакуумной камере и эмиссионной сетке ускоряющего напряжения, ионообразующий газ в газоразрядную камеру подают через эмиссионную сетку. The goal is achieved by the fact that by the method of producing a beam of accelerated particles in a technological vacuum chamber, which includes supplying an ion-forming gas to a gas discharge chamber of an ion source, ionizing the gas in a gas discharge chamber and supplying to one of the electrodes of the gas discharge chamber a positive accelerator in relation to the technological vacuum chamber and the emission grid voltage, the ion-forming gas in the discharge chamber is fed through the emission grid.

Целесообразно ионообразующий газ в газоразрядную камеру подавать с помощью эжектора непосредственно в створ эмиссионной сетки. It is advisable that the ion-forming gas be fed into the discharge chamber using an ejector directly to the target of the emission grid.

Целесообразно ионообразующий газ в газоразрядную камеру подавать непосредственно из технологической камеры. It is advisable to supply the ion-forming gas to the gas discharge chamber directly from the process chamber.

При получении пучка быстрых нейтральных молекул целесообразно ионообразующий газ в газоразрядную камеру источника ионов подавать из расположенной между источником ионов и технологической вакуумной камерой камеры перезарядки. Upon receipt of a beam of fast neutral molecules, it is advisable that the ion-forming gas be fed into the gas discharge chamber of the ion source from the recharge chamber located between the ion source and the technological vacuum chamber.

При подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру через эмиссионную сетку давление газа с обеих сторон сетки равны. Это исключает образование зон с повышенным давлением газа, достаточным для электрического пробоя, между корпусом и электродами газоразрядной камеры, на которые подано положительное напряжение, при рабочих давлениях, обычно не превышающих 1 Па, и тем самым повышает надежность. When an ion-forming gas is supplied to the gas discharge chamber through the emission grid, the gas pressure on both sides of the grid is equal. This eliminates the formation of zones with increased gas pressure sufficient for electrical breakdown between the casing and the electrodes of the gas discharge chamber, to which a positive voltage is applied, at operating pressures usually not exceeding 1 Pa, and thereby increases reliability.

При подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру из технологической камеры обеспечивается выравнивание давления подаваемого газа вдоль сетки с большой площадью поверхности, а следовательно, и в рабочем объеме газоразрядной камеры. When an ion-forming gas is supplied to the gas discharge chamber from the process chamber, the pressure of the supplied gas is equalized along the grid with a large surface area and, therefore, in the working volume of the gas discharge chamber.

При расположении между источником ионов и технологической камерой камеры перезарядки и при подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру из камеры перезарядки плотность молекул газа в последней оказывается выше, чем в газоразрядной камере с большей температурой газа и чем в откачиваемой вакуумным насосом технологической камере. Это позволяет трансформировать ионный пучок в пучок быстрых нейтральных молекул при меньшей длине камеры перезарядки. When the recharge chamber is located between the ion source and the process chamber and when the ion-forming gas is supplied to the gas discharge chamber from the recharge chamber, the density of gas molecules in the latter is higher than in the gas discharge chamber with a higher gas temperature and than in the process chamber pumped by the vacuum pump. This allows you to transform the ion beam into a beam of fast neutral molecules with a shorter recharge chamber.

При подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру через эжектор непосредственно в створ эмиссионной сетки возрастает доля газа, попадающего в газоразрядную камеру. Это повышает газовую эффективность источника ионов. When the ion-forming gas is supplied to the gas discharge chamber through the ejector directly to the target of the emission grid, the fraction of gas entering the gas discharge chamber increases. This increases the gas efficiency of the ion source.

Фиг. 1 иллюстрирует реализацию способа при подаче ионообразующего газа в разрядную камеру из технологической камеры через эжектор; фиг. 2 иллюстрирует реализацию способа при подаче ионообразующего газа из камеры перезарядки. FIG. 1 illustrates the implementation of the method when applying ion-forming gas to the discharge chamber from the process chamber through an ejector; FIG. 2 illustrates the implementation of the method by supplying an ion-forming gas from a recharge chamber.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Технологическую камеру 1 с установленными на ней камерой 2 перезарядки и/или корпусом 3 источника ионов откачивают до давления 10^-3 Па. Затем подачей газа в камеру 1 или камеру 2 перезарядки через эжектор 4 или непосредственно в камеру 1 или непосредственно в камеру перезарядки равномерно наполняют газоразрядную камеру 5 источника ионов через эмиссионную сетку 6 ионообразующим газом до рабочего давления ≈ 0,1 Па. На электрод газоразрядной камеры 5 подают положительное относительно камеры 1 ускоряющее напряжение от источника 7. Включением источника питания газоразрядной камеры и поджигающего устройства (на фигурах не показаны) ионизуют газ в газоразрядной камере. В результате последняя заполняется однородной плазмой 8. Ионы из плазмы ускоряются в слое 9 положительного объемного заряда между плазмой 8 и эмиссионной сеткой 6 и через отверстия или щели сетки поступают в камеру 1 или в камеру 2 перезарядки, где пучок ионов трансформируется в пучок быстрых нейтральных молекул, а образовавшиеся в результате перезарядки тепловые ионы поступают на стенки камеры и на сетку.The process chamber 1 with the recharge chamber 2 and / or the housing 3 of the ion source installed on it is pumped out to a pressure of 10 ⁻³ Pa. Then, by supplying gas to the chamber 1 or chamber 2 of recharge through the ejector 4 or directly to chamber 1 or directly to the chamber of recharging, the ion-discharge chamber 5 of the ion source through the emission grid 6 is uniformly filled with ion-forming gas to a working pressure of ≈ 0.1 Pa. Accelerating voltage positive from chamber 1 is supplied to the electrode of the gas discharge chamber 5 from the source 7. By turning on the power source of the gas discharge chamber and the ignition device (not shown in the figures), gas is ionized in the gas discharge chamber. As a result, the latter is filled with a homogeneous plasma 8. Ions from the plasma are accelerated in the positive space charge layer 9 between the plasma 8 and the emission grid 6 and through the holes or slits of the grid enter the charge chamber 1 or charge chamber 2, where the ion beam is transformed into a beam of fast neutral molecules , and the thermal ions formed as a result of recharging enter the chamber walls and the grid.

В большинстве случаев на сетку 6 подают от источника 10 напряжение до 100 В отрицательной по отношению к камере 1 полярности, запирающее встречный пучок электронов из плазмы 11, образованной нейтрализацией вторичными электронами объемного заряда ионов в газоразрядную камеру 5. Это повышает КПД источника ионов и предохраняет газоразрядную камеру от нагрева и разрушения. In most cases, a voltage of up to 100 V negative with respect to chamber 1 is supplied to the grid 6 from the source 10, blocking the oncoming electron beam from the plasma 11 formed by the neutralization by the secondary electrons of the ion space charge in the gas discharge chamber 5. This increases the efficiency of the ion source and protects the gas discharge chamber from heating and destruction.

Пример конкретной реализации способа. В источнике ионов с газоразрядной камерой на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом длиной 30 см, шириной 10 см и глубиной 8 см рабочий диапазон давлений аргона от 0,1 до 0,5 Па. При подаче аргона через заднюю стенку корпуса паразитный разряд в штуцере газоподачи зажигался при давлениях свыше 0,2 Па и положительном напряжении на катоде по отношению к корпусу свыше 700 В. Это ограничивало энергию пучка величиной ≈ 1кэВ и ток пучка величиной 70 мА, так как при низких давлениях ток разряда уменьшается с понижением давления. При подаче газа через эжектор в створ сетки из технологической камеры пробоев между электродами газоразрядной камеры и корпусом не наблюдалось во всем рабочем диапазоне давлений и во всем диапазоне ускоряющего напряжения до 10 кВ. В результате энергия пучка увеличивалась в 10 раз, а ток пучка возрос до 300 мА при давлении аргона 0,5 Па. An example of a specific implementation of the method. In the ion source with a gas discharge chamber based on a glow discharge with a cold hollow cathode, 30 cm long, 10 cm wide and 8 cm deep, the working range of argon pressures is from 0.1 to 0.5 Pa. When argon was supplied through the rear wall of the casing, a parasitic discharge in the gas supply nipple ignited at pressures above 0.2 Pa and a positive voltage on the cathode relative to the casing above 700 V. This limited the beam energy to ≈ 1 keV and the beam current to 70 mA, since At low pressures, the discharge current decreases with decreasing pressure. When gas was supplied through the ejector to the grid target from the process chamber, breakdowns between the electrodes of the gas discharge chamber and the casing were not observed in the entire operating pressure range and in the entire accelerating voltage range up to 10 kV. As a result, the beam energy increased 10 times, and the beam current increased to 300 mA at an argon pressure of 0.5 Pa.

Вторым примером конкретной реализации способа является получение в цилиндрической технологической вакуумной камере диаметром 700 мм пучка с током до 600 мА и энергией до 5 кэВ ускоренных частиц, эмиттированных цилиндрической эмиссионной сеткой диаметром и высотой по 200 мм источника ионов, установленного в центре камеры коаксиально с последней. Источник формирует однородный азимутально и по высоте пучок радиально расходящихся ускоренных частиц, бомбардирующих расположенные вокруг источника подложки. Ионообразующий газ поступает в газоразрядную камеру из технологической камеры через эмиссионную сетку площадью около 1250 см² и с прозрачностью 80% При травлении подложек ионами аргона происходит нейтрализация ионов на поверхности подложек и стенок камеры и десорбция нейтральных молекул аргона, которые могут вторично поступать в газоразрядную камеру, ионизироваться в ней и после ускорения в слое между плазмой и сеткой вылететь через последнюю в составе ионного пучка. Таким образом, ионообразующий газ используется многократно, что позволяет даже при больших токах пучка использовать вакуумные откачки системы малой производительности. Для очистки газа в камере от образующихся при травлении подложек примесей ионообразующий газ непрерывно подается в технологическую камеру с одной стороны и откачивается с другой. Указанный источник ионов работает и при давлениях в технологической камере 10^-2 Па, что позволяет использовать предлагаемый способ при обработке ионами газов изделий микроэлектроники.The second example of a specific implementation of the method is to obtain in a cylindrical technological vacuum chamber with a diameter of 700 mm a beam with a current of up to 600 mA and an energy of up to 5 keV of accelerated particles emitted by a cylindrical emission grid with a diameter and a height of 200 mm of an ion source mounted in the center of the chamber coaxially with the latter. The source forms a beam of radially diverging accelerated particles uniform in azimuth and height, bombarding the substrate located around the source. Ion-forming gas enters the gas discharge chamber from the process chamber through an emission grid with an area of about 1250 cm ² and with a transparency of 80%. When etching the substrates with argon ions, the ions on the surface of the substrates and walls of the chamber are neutralized and neutral argon molecules are desorbed, which can again enter the gas discharge chamber, ionize in it and, after acceleration in the layer between the plasma and the grid, fly out through the latter as part of the ion beam. Thus, the ion-forming gas is used repeatedly, which allows even at high beam currents to use vacuum pumping systems of low productivity. To clean the gas in the chamber from impurities formed during etching of the substrates, the ion-forming gas is continuously supplied to the process chamber from one side and is pumped out from the other. The specified ion source also works at pressures in the process chamber of 10 ^-2 Pa, which allows the proposed method to be used in the processing of microelectronic products by gas ions.

Таким образом, предлагаемый способ отличается высокой надежностью, позволяет расширить рабочий диапазон давлений газа, повысить энергию и ток пучка, а также сократить длину камеры перезарядки источника быстрых нейтральных молекул. Thus, the proposed method is highly reliable, allows you to expand the operating range of gas pressures, increase the energy and current of the beam, and also reduce the length of the recharge chamber of the source of fast neutral molecules.

Claims

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ, включающий подачу ионообразующего газа в газоразрядную камеру источника ионов, ионизацию газа в газоразрядной камере и подачу на один из ее электродов положительного по отношению к потенциалу технологической вакуумной камеры и эмиссионной сетке источника ионов ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают в газоразрядную камеру источника ионов через его эмиссионную сетку. 1. METHOD FOR PRODUCING A BEAM OF ACCELERATED PARTICLES IN A TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERA, comprising supplying an ion-forming gas to a gas-discharge chamber of an ion source, ionizing the gas in a gas-discharge chamber, and supplying one of its electrodes with a positive accelerator voltage and an ion-emitting grid of an ion source characterized in that the ion-forming gas is fed into the gas-discharge chamber of the ion source through its emission grid.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают с помощью эжектора в створ эмиссионной сетки. 2. The method according to claim 1, characterized in that the ion-forming gas is supplied using an ejector to the target of the emission grid.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают из полости технологической вакуумной камеры. 3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the ion-forming gas is supplied from the cavity of the technological vacuum chamber.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают из камеры перезарядки, расположенной между источником ионов и технологической вакуумной камерой. 4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the ion-forming gas is supplied from a recharge chamber located between the ion source and the process vacuum chamber.